VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES THERMODYNAMISCHEN KREISPROZESSES

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere eines ORC-Prozesses.

Stand der Technik

[0002] Ein beispielhaftes System zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wärmeenergie besteht aus den folgenden Hauptkomponenten: eine Speisepumpe, die flüssiges Arbeitsmedium unter Druckerhöhung zu einem Verdampfer fördert, dem Verdampfer selbst, in dem das Arbeitsmedium unter Zuführung von Wärme vorgewärmt, verdampft und optional zusätzlich überhitzt wird, eine Expansionsmaschine, in welcher das unter hohem Druck stehende verdampfte Arbeitsmedium entspannt wird und dabei mechanische Energie erzeugt, welche beispielsweise über einen Generator in elektrische Energie gewandelt werden kann, und einem Kondensator, in dem der Niederdruckdampf (entspanntes Arbeitsmedium) aus der Expansionsmaschine enthitzt und verflüssigt wird. Aus dem Kondensator gelangt das flüssige Arbeitsmedium wieder zur Speisepumpe des Systems, wodurch der thermodynamische Kreislauf geschlossen ist. Im Falle, dass das Arbeitsmedium ein organisches Arbeitsmedium ist, handelt es sich um einen Organic Rankine Cycle als thermodynamischen Kreisprozess (ORC System).

[0003] Zur Vermeidung von Kavitation in der Speisepumpe wird das flüssige Arbeitsmedium unterkühlt, also auf eine Temperatur gekühlt, die unterhalb der Kondensationstemperatur (gleichbedeutend mit der Siedetemperatur) bei dem Kondensationsdruck ist. Auf diese Weise wird der für die Pumpe notwendige NPSH Wert (Net Positive Suction Head, Netto-Vorlaufhöhe) erzielt.

[0004] Es gibt prinzipiell zwei Möglichkeiten den Kondensator eines thermodynamischen Kreisprozesses (im speziellen einer ORC-Anlage) auszuführen. Zum einen kann die Kondensation des Arbeitsmediums gegen Flüssigkeit (z.B. Wasser) erfolgen oder die Kondensation kann zum anderen gegen Luft geschehen. Kondensation gegen Wasser bietet den Vorteil, dass die Kondensationswärme in einen Heizkreis eingespeist werden kann und so den Wärmeabnehmern (z.B. einem Stall, einer Gebäudeheizung, einem Fermenter, etc.) zur Verfügung steht. Sind keine Wärmeabnehmer vorhanden ist nur eine Kondensation gegen Luft möglich, jedoch geht hierbei der Eigenbedarf eines Lüfters zu Lasten des elektrischen Wirkungsgrades.

[0005] Es gibt auch Anwendungsfälle, bei denen eine Wärmeabnahme nur für eine begrenzte Zeit im Jahr gewünscht ist. Soll die Wärmenutzung und die Stromerzeugung durch den ORC dennoch ermöglicht werden, muss in der Zeit des Jahres, in der keine Wärmenutzung stattfindet, die überschüssige Wärme z.B. über den Notkühler eines Blockheizkraftwerks abgegeben werden. Dies ist jedoch mit einem hohen Stromverbrauch und dadurch mit erhöhten Kosten verbunden.

[0006] Man kann (gemäß internem nicht veröffentlichtem Stand der Technik der Anmelderin) prinzipiell zwei Kondensatoren zusammenschalten, um beide Betriebsarten (Kühlung gegen Luft und Kühlung gegen eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser) zu ermöglichen. Jedoch bestehen die Schwierigkeiten hierbei darin, die Aufteilung der Massenströme des Arbeitsmediums in den jeweiligen Kondensatoren und somit die Wärmeabgabe zu regeln. Ziel ist es, eine möglichst große bzw. definierte nutzbare Wärmemenge in einem Kondensator, der in einen Heizkreislauf eingebunden ist, zu ermöglichen.

[0007] Zur Regelung der Massenströme könnten mechanische Armaturen wie beispielsweise Absperrventile verwendet werden. Dies beinhaltet jedoch die Problematik, dass in beiden Kondensatoren unterschiedliche Druckniveaus vorliegen. Dadurch kann es zur Rückströmung von kondensiertem Fluid in den Kondensator mit dem niedrigeren Druck kommen, bis hin zum Volllaufen dieses Kondensators. Durch die einzubauenden Ventile wird allerdings die Komplexität der Anlage sowie die Fehleranfälligkeit erhöht, da für die richtigen Betriebsarten die richtigen Ventilstellungen eingehalten werden müssen.

[0008] FR 2935737 A1 offenbart eine Wärmekraftmaschine mit einem Verdampfer, die von einer Wärmequelle gespeist wird. Wasser verdampft in dem Verdampfer. Der Ausgang des Verdampfers ist mit einem Einlass einer Turbine gekoppelt, in der das Wasser expandiert. Die Turbine erzeugt über den Generator elektrische Energie. Am Ausgang der Turbine sind ein erster Kondensator und ein zweiter Kondensator separat in paralleler Anordnung positioniert. FR 2984400 A1 offenbart eine ähnliche Wärmekraftmaschine, die zwei separaten in paralleler Anordnung positionierten Kondensatoren aufweist.

[0009] WO2005/119014 A1 offenbart ein Heizkraftwerk, welches einen wassergekühlten Kondensator und einen parallele dazu angeordneten Luftkondensator umfasst.

Beschreibung der Erfindung

[0010] Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1.
Eine beispielhafte Vorrichtung zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere eines ORC-Prozesses, umfasst: eine Speisepumpe zum Fördern von flüssigem Arbeitsmedium unter Druckerhöhung zu einem Verdampfer; den Verdampfer zum Vorwärmen, Verdampfen und optional zusätzlichen Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme; eine Expansionsmaschine zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums; und wenigstens zwei zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe parallel angeschlossene Kondensatoren zum Enthitzen, Kondensieren und optional zusätzlichen Unterkühlen des entspannten Arbeitsmediums. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise in einem Heizkreislauf, der über einen der Kondensatoren mit Wärme versorgt werden kann, nicht benötigte Wärme über den bzw. die anderen Kondensator(en) abgeführt werden kann. Andererseits können auch zwei Kondensatoren auf verschiedenen Temperaturniveaus betrieben werden, um beispielsweise verschiedene Heizkreisläufe mit Wärme zu versorgen. Auf diese Weise kann die Wärmeverteilung flexibel reguliert werden.

[0011] Die Vorrichtung kann dahingehend weitergebildet werden, dass die wenigstens zwei Kondensatoren einen Flüssigkeitskondensator und einen Luftkondensator umfassen. Mit Flüssigkeitskondensator ist gemeint, dass eine Flüssigkeit durch den Kondensator strömt, die von dem ebenfalls durch den Kondensator strömenden Arbeitsmedium Wärme aufnehmen kann. Dagegen ist im Falle eines Luftkondensators die Luft, die durch den Kondensator (oder entlang dessen Kontaktflächen) strömt, das wärmeaufnehmende Fluid.

[0012] Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass der Flüssigkeitskondensator in einem Flüssigkeitskreislauf, insbesondere einem Heizkreislauf, mit einer Pumpe vorgesehen ist und/oder wobei der Luftkondensator einen Ventilator umfasst. Mit der Pumpe und/oder dem Ventilator kann eine Wärmeabnahme in den Flüssigkeitskreislauf geregelt, insbesondere zu- oder abgeschaltet werden und mit dem Ventilator kann eine Kühlung des Arbeitsmediums gegen Luft geregelt, insbesondere zu- oder abgeschaltet werden.

[0013] Gemäß einer anderen Weiterbildung können der Ventilator und/oder die Pumpe regelbar sein, insbesondere die Drehzahl des Ventilators bzw. der durch die Pumpe geförderte Massenstrom der Flüssigkeit. Der Massenstrom, der durch die Pumpe gefördert wird, kann beispielsweise über eine Drehzahlregelung der Pumpe erfolgen oder über ein Strangregulierventil.

[0014] Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass jeder Kondensator über einen Siphon mit der Speisepumpe verbunden sein kann, wobei durch den Scheitelpunkt des Siphons einen Mindest-Füllhöhe des kondensierten Arbeitsmediums in dem Kondensator festlegt wird. Mit Hilfe eines Siphons in der Kondensatleitung ist der Flüssigkeitsspiegel im Kondensator immer so hoch wie die Höhe des Siphons. Dadurch wird auch eine definierte Mindest-Unterkühlung sichergestellt.

[0015] Gemäß einer anderen Weiterbildung kann weiterhin zwischen den Kondensatoren und der Speisepumpe ein druckdichter Behälter vorgesehen sein. Ein Behälter zwischen den Kondensatoren und der Pumpe stellt sicher, dass immer flüssiges Arbeitsmedium zur Pumpe strömt. Kommt es zu Betriebszuständen, in denen einer der Kondensatoren leer läuft und somit gasförmiges Arbeitsmedium in Richtung Pumpe strömt, wird dieses im Behälter abgeschieden. Auch mit dem flüssigen Arbeitsmedium strömende Gasblasen, die an der Speisepumpe (Teil-) Kavitation verursachen könnten, werden im Behälter abgeschieden. Wenn der Behälter nicht komplett gefüllt ist und sich ein Flüssigkeitsspiegel einstellt, strebt das Arbeitsmedium im Behälter einen gesättigten Zustand an. Hieraus resultieren zwei mögliche Fälle: Ist das Arbeitsmedium kälter als die Umgebung, verdampft es und es stellt sich ein Gleichgewichtszustand zwischen flüssiger Phase und dampfförmiger Phase ein. Ist das Arbeitsmedium im Behälter jedoch wärmer als die Umgebungstemperatur, wird Wärme an die Umgebung abgegeben und es findet eine Kondensation im Behälter statt. Dies führt dazu, dass der Flüssigkeitsspiegel steigt, bis hin zum Volllaufen des Behälters. Indem im Behälter ein zusätzlicher Partialdruck auf den Flüssigkeitsspiegel aufgeprägt wird, z.B. mittels eines nicht-kondensierenden Gases, kann eine ausreichende Unterkühlung (Abstand zwischen Siedetemperatur und tatsächlicher Temperatur) sichergestellt und die Kondensation im Behälter verhindert werden. Mit anderen Worten gesagt wird durch ein solches Gas eine ausreichende Vorlaufhöhe für die Speisepumpe bereitgestellt.

[0016] Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass für jeden der parallel angeschlossenen Kondensatoren ein Rückschlagventil zwischen dem jeweiligen Kondensator und der Speisepumpe und/oder zwischen der Expansionsmaschine und dem jeweiligen Kondensator vorgesehen ist, wobei jedes Rückschlagventil nur ein Strömen in Richtung der Speisepumpe zulässt. Auf diese Weise kann ein unerwünschter Naturumlauf zwischen den Kondensatoren verhindert werden.

[0017] Gemäß einer anderen Weiterbildung kann die Vorrichtung weiterhin umfassen: einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur eines Flüssigkeits-/Heizkreis-Rücklaufs, und/oder einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur eines Flüssigkeits-/Heizkreis-Vorlaufs und/oder einen Temperatursensor zum Messen der Umgebungstemperatur; und eine Steuervorrichtung zum Einstellen einer Drehzahl des Ventilators und/oder zum Einstellen eines durch die Pumpe geförderten Massenstroms der Flüssigkeit basierend auf der gemessenen Temperatur bzw. den gemessenen Temperaturen, insbesondere zum Begrenzen der Rücklauftemperatur auf einen maximalen Wert und/oder zum Einstellen einer konstanten Vorlauftemperatur. Damit kann z.B. vermieden werden, dass sich Notkühlaggregate in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zuschalten, wenn die Rücklauftemperatur zum BHKW zu hoch wird. Andererseits können beispielsweise Heiznetze bedient werden, die eine gleichbleibende Vorlauftemperatur bei unterschiedlichen Wärmebedarfen benötigen.

[0018] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere eines ORC-Prozesses, umfasst während eines Normalbetriebs die folgenden Schritte: Fördern von flüssigem Arbeitsmedium unter Druckerhöhung zu einem Verdampfer mit einer Speisepumpe; Vorwärmen, Verdampfen und optional zusätzliches Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme in dem Verdampfer; Entspannen des verdampften Arbeitsmediums in einer Expansionsmaschine; Enthitzen, Kondensieren und optional zusätzliches Unterkühlen des entspannten Arbeitsmediums mit wenigstens zwei zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe parallel angeschlossenen Kondensatoren.

[0019] Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass während eines vor dem Normalbetrieb durchgeführten Anfahrbetriebs die folgenden weiteren Schritte durchgeführt werden: Bereitstellen einer ausreichenden Vorlaufhöhe von flüssigem Arbeitsmedium vor der Speisepumpe, um Kavitation in der Speisepumpe zu vermeiden; Starten des thermodynamischen Kreisprozesses mit dem Kondensator, in dem der niedrigste Kondensationsdruck vorliegt; und Zuschalten der weiteren Kondensatoren in der Reihenfolge nach größer werdendem Kondensationsdruck. Daher wird zu Beginn des Startprozesses eine Mindestvorlaufhöhe NPSH_r sichergestellt. Weiterhin wird ein Start ohne Kavitation an der Speisepumpe sichergestellt, da der Druck vor der Pumpe während des Startprozesses monoton ansteigt.

[0020] Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen Weiterbildungen entsprechen - wenn nicht anders angegeben - jenen der beispielhaften Vorrichtung.

[0021] Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Massenstrom des entspannten Arbeitsmediums von der Expansionsmaschine selbstregulierend durch ein sich zwischen den Kondensatoren einstellendes Druckgleichgewicht in Massenströme des entspannten Arbeitsmediums in die jeweiligen Kondensatoren aufgeteilt werden.

[0022] Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die wenigstens zwei Kondensatoren einen Luftkondensator mit einem Ventilator und/oder einen Flüssigkeitskondensator in einem Flüssigkeitskreislauf mit einer Pumpe umfasst, und wobei das Verfahren den folgenden weiteren Schritt aufweist: Einstellen einer Drehzahl des Ventilators und/oder Einstellen eines durch die Pumpe geförderten Massenstroms der Flüssigkeit. Durch Einstellen der Drehzahl des Ventilators und/oder des durch die Pumpe geförderten Massenstroms kann eine gleitende Regelung der Kondensationsanteile im Luftkondensator bzw. im Flüssigkeitskondensator erfolgen, wobei im Speziellen durch Abschalten des Ventilators geringe oder keine Kondensation des Arbeitsmediums im Luftkondensator erfolgt, vorzugsweise bei laufender Pumpe, oder wobei durch Abschalten der Pumpe geringe oder keine Kondensation im Flüssigkeitskondensator erfolgt, vorzugsweise bei laufendem Ventilator. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Lastwechsel zwischen den beteiligten Kondensatoren erfolgen.

[0023] Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass der Schritt des Startens mit laufendem Ventilator des Luftkondensators und abgestellter Pumpe des Flüssigkeitskreislaufs erfolgt, und wobei der Schritt des Zuschaltens des Flüssigkeitskondensators durch Einschalten oder Erhöhung des geförderten Massenstroms der Pumpe erfolgt.

[0024] Die genannten Weiterbildungen können einzeln eingesetzt oder wie beansprucht geeignet miteinander kombiniert werden.

[0025] Weitere Merkmale und beispielhafte Ausführungsformen sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung erschöpfen. Es versteht sich weiterhin, dass einige oder sämtliche der im Weiteren beschriebenen Merkmale auch auf andere Weise miteinander kombiniert werden können.

Zeichnungen

[0026] 

Fig. 1

zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der beispielhaften Vorrichtung.

Fig. 2

zeigt den Verlauf der Kondensattemperatur beim Startvorgang.

Fig. 3

zeigt die Füllhöhe im Luft- und Im Heizkondensator.

Fig. 4

zeigt Höhenverhältnisse und Füllstande der Kondensatoren.

Fig. 5

veranschaulicht die Veränderung der im Heizkondensator ausgekoppelten Wärmemenge ohne Regelung der Heizwasser-Umwälzpumpe und damit die Veränderung der Vorlauftemperatur im Heizwasser.

Fig. 6

veranschaulicht die Veränderung der im Heizkondensator ausgekoppelten Wärmemenge bei gleichzeitig gleicher Vorlauftemperatur im Heizwasser mit Regelung der Heizwasser-Umwälzpumpe.

Fig. 7

zeigt weitere Ausführungsformen der beispielhaften Vorrichtung, insbesondere mit einem Siphon (Fig. 7a), und/oder einem Behälter (Fig. 7b), und/oder mit Rückschlag-Ventilen (Fig. 7c).

Fig. 8

zeigt die Ausbildung eines Naturumlaufs bei Beheizung des nicht genutzten Kondensators 3.

Ausführungsformen

[0027] Beim Betrieb eines ORC-Systems mit zwei parallelen Kondensatoren gibt es verschiedene Betriebszustände, für die jeweils bestimmte Betriebsparameter sicher zu stellen sind. Die zu betrachtenden Betriebszustände sind: Anfahren, Stationärer Betrieb, Lastwechsel zwischen Heizkondensator- und Luftkondensator-Betrieb, und Parallelbetrieb von Heizkondensator und Luftkondensator.

[0028] Die sicherzustellenden Betriebsparameter sind: Geeignete Fluidverteilung jeweils für die Lastfälle 100 % Luftkondensator-Betrieb, 100 % Heizkondensator-Betrieb und Parallelbetrieb, sowie eine ausreichende Vorlaufhöhe für die Speisepumpe in den verschiedenen Betriebsmodi.

[0029] In der einfachsten Ausführungsform des ORC-Systems können die notwendigen Betriebsparameter in allen verschiedenen Betriebsmodi über regelungstechnische Verfahren sowie eine geeignete Anordnung von Komponenten und eine entsprechende Füllmenge mit Arbeitsmedium erreicht werden. Zusätzliche Komponenten, wie Ventile, etc. sind nicht erforderlich. Im Folgenden werden die Vorrichtungen und Verfahren beschrieben, mit denen die Betriebsparameter in der einfachsten Ausführungsform eingehalten werden können.

[0030] Fig. 1 zeigt vereinfacht die Standardverschaltung der Anlage. Das flüssige Arbeitsmedium wird im Wärmeübertrager (Verdampfer) 1 unter Wärmezufuhr vorgewärmt, verdampft und anschließend in einer Expansionsmaschine 2 (z.B. Schraubenexpander, Turbine) entspannt. Stromabwärts der Expansionsmaschine findet die Aufteilung des Arbeitsmedienmassenstromes auf den Flüssigkeitskondensator (Heizkondensator) 3 und den Luftkondensator 4 (mit einem Ventilator 7) statt. Bei der Verflüssigung des Arbeitsmediums im Heizkondensator wird Wärme vom Arbeitsmedium an das Heizwassernetz abgegeben, wobei das Heizwasser über eine Pumpe 6 umgewälzt wird. Der Kreislauf wird geschlossen, indem eine Speisepumpe 5 den Druck des Arbeitsmediums auf den Verdampfungsdruck erhöht und es erneut in den Verdampfer 1 fördert. In der Verschaltung wird der Fluss des Arbeitsmediums bzw. die Verteilung des Arbeitsmediums nicht über Ventile geregelt, sondern erfolgt rein thermisch getrieben.

1. Anfahren

[0031] Wichtig für den Betrieb einer ORC-Anlage mit zwei Kondensatoren ist die Sicherstellung eines zuverlässigen Anlagenstarts. Um einen sicheren Start ohne Kavitation an der Speisepumpe sicherzustellen ist es erforderlich, den Druck vor der Pumpe während des Startprozesses monoton ansteigen zu lassen, zudem muss zu Beginn des Startprozesses eine Mindestvorlaufhöhe NPSH_r sichergestellt werden.

[0032] Bei abgestellter, kalter Anlage stellt sich ein niedriger Kondensationsdruck mit niedriger Kondensationstemperatur ein. Selbst bei warmem Heizkondensator wird der Kondensationsdruck aufgrund der Wärmeabgabe an die Umgebung über den Luftkondensator den Sättigungsdruck bei Umgebungstemperatur einnehmen. Während des Anfahrprozesses steigt nun der Kondensationsdruck, womit auch die Kondensationstemperatur steigt. Würde der Druck nun absinken, läge vor der Pumpe erwärmtes Arbeitsmedium mit niedrigerem Druck vor. Somit sinkt die vorliegende Unterkühlung des Arbeitsmediums ab, wodurch Kavitation in der Pumpe entstehen kann. Es muss folglich sichergestellt sein, dass während des Startvorgangs immer eine ausreichende Unterkühlung vorherrscht. Dies kann durch zwei Wege erreicht werden. Zum einen muss über die Füllhöhe und Fluidverteilung in den Kondensatoren eine Unterkühlung sichergestellt werden, die Druckschwankung ohne Gefahr von Kavitation zulässt. Zum anderen kann über die Regelung sichergestellt werden, dass während des Startprozesses der Kondensationsdruck monoton ansteigt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Anlage im Luftkondensator-Betrieb gestartet wird. Somit beginnt die Anlage ihren Betrieb mit niedrigem Druck. Anschließend geht die Anlage fließend in den Heizkondensator-Betrieb über. Wenn die Temperatur des Heizkondensators höher als die Umgebungstemperatur ist (was nahezu immer zutreffend ist), wird der Kondensationsdruck langsam monoton ansteigen.

Tabelle 1 (Startprozess):

Phase	Heiz-Kondensator	Luft-Kondensator	Kondensationsdruck	Aufenthaltsort Arbeitsmedium
1. Anlage abgestellt	warm, da durch Heizwasser auf Temperatur	kalt, da durch Umgebungsluft abgekühlt	niedrig (Sättigung bei Umgebungstemperatur)	im Luftkondensator
2. Anlagenstart (Beginn)	warm	kalt, wird wärmer	steigt	weiterhin im Luftkondensator, da Heizkondensator-Temp. noch höher als Kondensationstemperatur, welche durch Luftkondensator definiert ist
3. Anlagenstart (fortgeschritten)	warm	warm	weiter angestiegen	je nach Gleichgewichtszustand in Luftkondensator und Heizkondensator aufgeteilt
4. Anlagenstart (abgeschlossen)	warm	wärmer als Heizkondensator	hoch	Arbeitsmedium hauptsächlich im Heizkondensator

[0033] Tabelle 1 zeigt den Ablauf des Startvorgangs. In der Phase 1 ist die Anlage abgestellt. Die Kondensattemperatur und damit der Kondensationsdruck sind niedrig (siehe Fig. 2). Die Kondensattemperatur T_kond ist gleich der Temperatur der Umgebungsluft T_L. In Phase zwei wird die Anlage gestartet, der Kondensationsdruck steigt langsam an. Es beginnt sich Fluid in den Heizkondensator zu verschieben (siehe Fig. 3). Die Füllhöhe L_HK im Heizkondensator steigt. Die Kondensattemperatur steigt bis auf die Temperatur T_VL des Vorlaufs im Heizkreis. Ab der Kondensattemperatur, die eine Kondensation im Heizkondensator ermöglicht (Phase 3) wird maßgeblich im Heizkondensator kondensiert. Die Füllhöhe L_LK im Luftkondensator reduziert sich in dieser Phase. Die Kondensattemperatur nähert sich der Temperatur T_RL des Rücklaufs im Heizkreis an. In Phase 4 ist der Start abgeschlossen und ein reiner Heizkondensator-Betrieb aktiv.

2. Stationärer Betrieb

[0034] Im stationären Betrieb wird das Arbeitsmedium immer in den kälteren Kondensator strömen, da dort geringerer Druck herrscht. Durch das selbstregelnde System ist der kältere Kondensator der, in dem auch kondensiert werden soll. Im Luftkondensator-Betrieb wird der Luftkondensator mit kalter Außenluft durchströmt, während der Heizkondensator im stationären Zustand die Temperatur des Abdampfs einnimmt. Dadurch stellt sich im Luftkondensator ein geringerer Druck ein und das Fluid (Arbeitsmedium) strömt zur Kondensation durch den Luftkondensator. Die Kondensationswärme wird an die Umgebungsluft abgegeben. Im Heizkondensator-Betrieb wird der Heizkondensator mit dem Rücklauf des Heizungswassers durchströmt. Dieses ist kälter als die Abdampftemperatur. Da der Luftkondensator bei ausgeschalteten Ventilatoren eine Temperatur (wärmeverlustbedingt nur) nahe der Temperatur des Abdampfes annimmt, erfolgt die Kondensation im kälteren Heizkondensator.

[0035] 100 % Heizkondensator- oder 100 % Luftkondensator-Betrieb:
Die 100 % Betriebsfälle werden jeweils durch Abschalten oder Leistungsreduzierung der Ventilatoren, bzw. der Heizwasser-Umwälzpumpe erreicht, so dass in einem der Kondensatoren keine Wärme mehr abgeführt werden kann. Da die Kondensatoren auf Seite des Arbeitsmediums nicht durch Ventile voneinander getrennt sind, strömt immer ein kleiner Teil des Abdampfs durch den nicht benötigten Kondensator und wird durch natürliche Konvektion bzw. Wärmeleitung abgekühlt.

[0036] Die ausreichende Vorlaufhöhe des Arbeitsmediums vor der Speisepumpe wird durch die Füllmenge und die geodätische Höhe der Flüssigkeitssäule über der Pumpe eingestellt. Die geometrischen Verhältnisse zwischen Heizkondensator und Luftkondensator werden dabei so gewählt, dass bei gleicher Füllmenge und Betrieb von jeweils einem Kondensator so viel Arbeitsmedium im Kondensator steht, dass eine ausreichende Unterkühlung erreicht wird. Auf die benötigte Vorlaufhöhe im Parallelbetrieb beider Kondensatoren wird im folgenden Abschnitt näher eingegangen.

[0037] Selbststabilisierendes Verfahren:
Das hier beschriebene Verfahren stabilisiert sich selbst. Das heißt, dass immer der Kondensator mit der größeren Wärmeabgabe auch den höchsten Füllstand hat. Dies liegt an der strömungstechnischen Verteilung der Fluide. Es gibt immer einen Gleichgewichtszustand, bei dem es keine Druckunterschiede zwischen den beiden Kondensatoren gibt. Der dafür zu betrachtende Gesamtdruck p_ges setzt sich aus dem jeweils vorherrschenden Kondensationsdruck p_kond und dem sich über den Füllstand Δh einstellenden geodätischen Druck Δp_geod zusammen.

[0038] Wenn beispielhaft angenommen wird, dass in Kondensator b mehr Wärme abgegeben wird als in Kondensator a, dann gilt hinsichtlich der Prozessparameter folgende Tabelle (zur Veranschaulichung siehe Fig. 4):

Tabelle 2 (Prozessparameter in Fig. 4):

Position	Parameter
1	V_dot, p	a	=	b
2	V_dot	a	<	b
3	p_kond	a	>	b
4	p_geod.	a	<	b
5	V_dot, p	a	=	b
	h	a	<	b
	Q_dot	a	<	b

[0039] In der Tabelle bezeichnen die Prozessparameter V_dot den Volumenstrom, p_kond den Kondensationsdruck, p_geod. den geodätischen Druck, h die Füllhöhe und Q_dot den Wärmestrom. Die Positionen 1 bis 5 entsprechen für den jeweiligen Kondensator a bzw. b: nach der Expansionsmaschine und vor dem Aufteilen des Gesamtmassenstroms V_dot,p (Position 1), nach dem Aufteilen und vor dem Eintritt in den Kondensator (Position 2), im Kondensator (Position 3), nach dem Kondensator und vor dem Zusammenführen der Teil-Massenströme (Position 4), nach dem Zusammenführen und vor der Speisepumpe (Position 5). Der Vergleich bezieht sich auf die jeweiligen Prozessparameter in Bezug auf die beiden Kondensatoren a und b.

[0040] Durch den höheren Volumenstrom in Richtung Kondensator b kommt es zu höheren Druckverlusten als in Kondensator a (Pfad 1 bis 3a/b). Durch den höheren Druckverlust muss der Kondensationsdruck im Kondensator b kleiner sein als in Kondensator a. Da die beiden Kondensatoren miteinander verbunden sind kommt es zu einem Druckausgleich über den geodätischen Druck. Das bewirkt, dass der Füllstand im Kondensator b soweit steigt, bis es am Punkt 5 keine Druckdifferenz zwischen den Kondensatoren gibt. Über die höhere Füllhöhe ist sichergestellt, dass im Kondensator, in dem mehr Wärme abgegeben wird, in dem also auch der größere Teil des Abdampfs kondensiert wird eine ausreichende Unterkühlung des Arbeitsmedienstroms erreicht wird und damit auch eine ausreichende Vorlaufhöhe vor der Pumpe sichergestellt ist. Um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten muss die Füllmenge des Systems so gewählt sein, dass keiner der beiden Kondensatoren im Betrieb leerläuft. Idealerweise spielen Füllmenge und die konstruktive Höhe der Kondensatoren zueinander so zusammen, dass im jeweils nicht genutzten Kondensator (100% Heizkondensator oder 100% Luftkondensator) gerade kein oder nur minimal Fluid steht. Dies verringert Wärmeverluste und hilft Fluid einzusparen.

3. Lastwechsel zwischen Heizkondensator und Luftkondensator

[0041] Durch das selbstregelnde Prinzip wird der Lastwechsel erreicht, indem durch Einstellen der Drehzahl des Ventilators und/oder des durch die Pumpe geförderten Massenstroms eine gleitende Regelung der Kondensationsanteile im Luftkondensator bzw. im Flüssigkeitskondensator erfolgt, im Speziellen indem jeweils Ventilatoren bzw. Heizungspumpe abgeschaltet werden. Dadurch erhöht sich der Druck im nicht benutzen Kondensator und die Kondensation erfolgt im anderen Kondensator in dem ein niedrigerer Druck herrscht.

4. Parallelbetrieb zwischen Heizkondensator und Luftkondensator

[0042] Wird im Heiznetz nicht die volle Wärmeleistung benötigt, kann nur ein Teil der vom ORC-System abgegebenen Wärme in das Heiznetz kondensiert werden. Der andere Teil wird dann über den Luftkondensator abgeführt. Beide Kondensatoren sind parallel im Betrieb. Der Parallelbetrieb wird erreicht, indem beispielsweise die Ventilatoren des Luftkondensators in Teillast betrieben werden. Regelungsparameter kann dabei zum Beispiel eine maximale Temperatur des Heizkreis-Rücklaufes sein. Bei zu hohem Wärmeeintrag durch den ORC in das Heiznetz kann sich die Temperatur des Rücklaufes zum Blockheizkraftwerk (BHKW) erhöhen. Übersteigt diese einen gewissen Maximalwert, schaltet sich der Notkühler ein, um den Wärmeüberschuss aus dem System abzuführen. Um dies zu vermeiden, muss die ORC-Anlage frühzeitig die eingekoppelte thermische Leistung reduzieren.

[0043] Ein anderer Regelungsparameter kann die gewünschte Vorlauftemperatur für das Heiznetz sein. Durch eine Verringerung der Ventilator-Drehzahl wird weniger Wärme im Luftkondensator abgeführt. Dadurch steigt der Kondensationsdruck von p₁ auf p₂ an und ein Teil des Abdampfs strömt in den Heizkondensator und erhöht dort die Wärmeabfuhr in das Heiznetz. Bei gleichem Wasservolumenstrom (ungeregelter Betrieb der Heizwasser-Umwälzpumpe) steigt die Austrittstemperatur (= Vorlauftemperatur T_VL) des Heizwassers von T_VL,1 auf T_VL,2 an (siehe Fig. 5). Dadurch kann das System auf einen sich ändernden kundenseitigen Wärmebedarf reagieren und mehr Wärme in das Heiznetz einkoppeln, wenn dieses benötigt wird. Genauso wird aber auch ein übermäßig großer Wärmeeintrag verhindert. Nimmt der Wärmekunde die Wärme nicht ab, denn steigt die Rücklauftemperatur (aus dem Heiznetz kommend) und somit auch die Vorlauftemperatur. Wird hier eine Grenztemperatur erreicht, dann regelt das System dem entgegen und koppelt mehr Wärme über den Luftkondensator aus, indem die Ventilatordrehzahl wieder erhöht wird.

[0044] Zusätzlich oder alternativ dazu kann auch die Heizwasser-Umwälzpumpe geregelt werden, was eine konstante Vorlauftemperatur T_VL im Heiznetz ermöglicht (siehe Fig. 6). Somit können Heiznetze bedient werden, die eine gleichbleibende Vorlauftemperatur bei unterschiedlichen Wärmebedarfen benötigen (zum Beispiel für temperatursensible Prozesse, oder für eine Hygienisierung, etc.). Durch eine Regelung der Heizwasser-Umwälzpumpe kann die Leistung der Pumpe an den tatsächlichen Wärmebedarf angepasst und somit die Effizienz des Systems gesteigert werden.

[0045] Die ausreichende Vorlaufhöhe durch entsprechende Unterkühlung des Fluids (Arbeitsmediums) wird durch das unter Punkt 2 beschriebene selbstregelnde Prinzip gewährleistet. Es ist durch eine ausreichende Füllmenge mit Arbeitsmedium sicherzustellen, dass auch bei Aufteilung des Arbeitsmediums auf beide Kondensatoren eine ausreichende Unterkühlung vorliegt.

[0046] Das einfache ORC-System mit zwei Kondensatoren kann durch verschiedene Variationen der Verschaltung verbessert werden, so dass die geforderten Betriebsparameter sicherer eingehalten werden können (siehe Fig. 7).

1. Einbau eines Siphons (Fig. 7a)

[0047] Mit Hilfe eines Siphons 8 in der Kondensatleitung kann im Kondensator 3, 4 eine definierte Mindest-Füllhöhe festgelegt werden, da der Flüssigkeitsspiegel im Kondensator immer so hoch sein muss, wie die Höhe des Siphons. Dadurch wird auch eine definierte Mindest-Unterkühlung sichergestellt.

2. Behälter (Fig. 7b)

[0048] Ein Behälter 9 zwischen den Kondensatoren 3, 4 und der Speisepumpe 5 stellt sicher, dass immer flüssiges Arbeitsmedium zur Pumpe strömt. Kommt es zu Betriebszuständen, in denen einer der Kondensatoren leer läuft und somit gasförmiges Arbeitsmedium in Richtung Pumpe strömt, wird dieses im Behälter abgeschieden. Auch mit dem flüssigen Arbeitsmedium strömende Gasblasen, die an der Speisepumpe (Teil-) Kavitation verursachen könnten, werden im Behälter abgeschieden. Wenn der Behälter nicht komplett gefüllt ist und sich ein Flüssigkeitsspiegel einstellt, strebt das Arbeitsmedium im Behälter einen gesättigten Zustand an. Hieraus resultieren zwei mögliche Fälle: Ist das Arbeitsmedium kälter als die Umgebung verdampft es und es stellt sich ein Gleichgewichtszustand zwischen flüssiger Phase und dampfförmiger Phase ein. Ist das Arbeitsmedium im Behälter jedoch wärmer als die Umgebungstemperatur, wird Wärme an die Umgebung abgegeben und es findet eine Kondensation im Behälter statt. Dies führt dazu, dass der Flüssigkeitsspiegel steigt, bis hin zum Volllaufen des Behälters. Indem im Behälter ein zusätzlicher Druck auf den Flüssigkeitsspiegel aufgeprägt wird, z.B. mittels eines nicht-kondensierenden Gases (siehe z.B. Patent DE 10 2009 053 390 B3 zur Kavitationsvermeidung), wird eine ausreichende Unterkühlung erzeugt.

3. Rückschlagventile (Fig. 7c)

[0049] In bestimmten Fällen kann es zwischen Heizkondensator 3 und Luftkondensator 4 zu unerwünschtem Naturumlauf kommen (siehe Fig. 8). Wird der nicht benutzte Kondensator 3 trotzdem beheizt, z.B. mit warmem Heizwasser durchströmt, kommt es in diesem zur Verdampfung. Der dadurch fallende Füllstand würde das Druck-Gleichgewicht aus Kondensationsdruck und geodätischem Druck aufgrund unterschiedlicher Füllhöhen aus dem Gleichgewicht bringen. Um dieses Gleichgewicht zu erhalten strömt kondensiertes Arbeitsmedium aus dem Kondensator 1 nach. Durch den Einbau von Rückschlagventilen 10 entweder in der Abdampf- oder der KondensatLeitung wird dieses Phänomen verhindert.

[0050] Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft und der vollständige Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere eines ORC-Prozesses, wobei das Verfahren während eines Normalbetriebs die folgenden Schritte umfasst:

Fördern von flüssigem Arbeitsmedium unter Druckerhöhung zu einem Verdampfer (1) mit einer Speisepumpe (5);

Vorwärmen, Verdampfen und optional zusätzliches Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme in dem Verdampfer (1);

Entspannen des verdampften Arbeitsmediums in einer Expansionsmaschine (2);

Enthitzen, Kondensieren und optional zusätzliches Unterkühlen des entspannten Arbeitsmediums mit wenigstens zwei zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe parallel angeschlossenen Kondensatoren (3, 4);

dadurch gekennzeichnet, dass

während eines vor dem Normalbetrieb durchgeführten Anfahrbetriebs die folgenden weiteren Schritte durchgeführt werden:

Bereitstellen einer ausreichenden Vorlaufhöhe von flüssigem Arbeitsmedium vor der Speisepumpe, um Kavitation in der Speisepumpe zu vermeiden;

Starten des thermodynamischen Kreisprozesses mit dem Kondensator, in dem der niedrigste Kondensationsdruck vorliegt;

Zuschalten der weiteren Kondensatoren in der Reihenfolge nach größer werdendem Kondensationsdruck.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Massenstrom des entspannten Arbeitsmediums von der Expansionsmaschine selbstregulierend durch ein sich zwischen den Kondensatoren einstellendes Druckgleichgewicht in Massenströme des entspannten Arbeitsmediums in die jeweiligen Kondensatoren aufgeteilt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wenigstens zwei Kondensatoren einen Luftkondensator mit einem Ventilator und/oder einen Flüssigkeitskondensator in einem Flüssigkeitskreislauf mit einer Pumpe umfasst, und wobei das Verfahren den folgenden weiteren Schritt aufweist:

Einstellen einer Drehzahl des Ventilators und/oder Einstellen eines durch die Pumpe geförderten Massenstroms der Flüssigkeit,

insbesondere wobei durch Abschalten des Ventilators keine Kondensation des Arbeitsmediums im Luftkondensator erfolgt, vorzugsweise bei laufender Pumpe, oder wobei durch Abschalten der Pumpe keine Kondensation im Flüssigkeitskondensator erfolgt, vorzugsweise bei laufendem Ventilator.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Startens mit laufendem Ventilator des Luftkondensators und abgestellter Pumpe des Flüssigkeitskreislaufs erfolgt, und wobei der Schritt des Zuschaltens des Flüssigkeitskondensators durch Einschalten oder Erhöhung des geförderten Massenstroms der Pumpe erfolgt.

Claims

1. Method for operating a thermodynamic cycle, in particular an ORC process, the method during normal operation comprising the following steps:

conveying liquid working medium to an evaporator (1) by increasing the pressure by a feed pump (5);

preheating, evaporating and optionally additionally superheating the working medium by supplying heat in the evaporator (1);

expanding the evaporated working medium in an expansion machine (2);

deheating, condensing and optionally additionally subcooling of the expanded working medium with at least two condensers (3, 4) connected in parallel between the expansion machine and the feed pump;

characterized in that

during a start-up operation carried out before normal operation, the following further steps are carried out:.

providing a sufficient positive suction head of liquid working medium in front of the feed pump in order to prevent cavitation in the feed pump;

starting the thermodynamic cycle with the condenser, in which the lowest condensation pressure is present;

switching on the further condensers in the order of increasing condensation pressure.

2. Method according to claim 1, wherein a mass flow of the expanded working medium can be divided in mass flows of the expanded working medium into the respective condensers in a self-regulating manner by means of a pressure equilibrium.

3. Method according to claim 1 or 2, wherein the at least two condensers comprise an air condenser with a fan and/or a liquid-cooled condenser in a liquid circuit, and the method comprising the following further step:

adjusting a rotational speed of the fan and/or adjusting a mass flow of the liquid conveyed by the pump,

in particular, wherein by switching off the fan, no condensation of the working medium takes place in the air condenser, preferably while the pump is running, or wherein by switching off the pump, no condensation takes place in the liquid-cooled condenser, preferably while the fan is running.

4. Method according to claim 3, wherein the step of starting with a running fan of the air condenser and a switched off pump of the liquid circuit occurs, and wherein the step of switching on the liquid-cooled condenser occurs by switching on or increasing the conveyed mass flow of the pump.

Revendications

1. Procédé pour assurer le fonctionnement d'un processus à cycle thermodynamique, notamment un processus ORC (processus à cycle organique de Rankine), le procédé comprenant les étapes suivantes pendant un fonctionnement normal :

refoulement de fluide de travail avec élévation de pression, vers un évaporateur (1), à l'aide d'une pompe d'alimentation (5) ;

préchauffage, évaporation et optionnellement surchauffe supplémentaire du fluide de travail par amenée de chaleur dans l'évaporateur (1) ;

détente du fluide de travail vaporisé dans une machine de détente (2) ;

chauffage, condensation et optionnellement sous-refroidissement du fluide de travail détendu, à l'aide d'au moins deux condenseurs (3, 4) raccordés en parallèle entre la machine de détente et la pompe d'alimentation ;

caractérisé en ce que

pendant un fonctionnement de démarrage effectué avant le fonctionnement normal, on effectue les étapes supplémentaires suivantes :

fourniture d'un niveau primaire suffisant de fluide de travail liquide avant la pompe d'alimentation, pour éviter de la cavitation dans la pompe d'alimentation ;

démarrage du processus de cycle thermodynamique avec le condenseur dans lequel règne la pression de condensation la plus basse ;

mise en service complémentaire des condenseurs supplémentaires dans l'ordre correspondant à la pression de condensation devenant plus grande.

2. Procédé selon la revendication 1, d'après lequel un débit massique du fluide de travail détendu est réparti en débits massiques du fluide de travail détendu dans les condenseurs respectifs, à partir de la machine de détente, par autorégulation, grâce à un équilibre de pression s'établissant entre les condenseurs considérés.

3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, d'après lequel lesdits au moins deux condenseurs englobent un condenseur à air avec un ventilateur et/ou un condenseur à liquide dans un circuit de liquide avec une pompe, et le procédé comprenant l'étape supplémentaire suivante :

le réglage d'une vitesse de rotation du ventilateur et/ou le réglage d'un débit massique du liquide refoulé par la pompe,

procédé d'après lequel notamment en arrêtant le ventilateur il ne se produit pas de condensation du fluide de travail dans le condenseur à air, de préférence avec une pompe en marche, ou d'après lequel en arrêtant la pompe il ne se produit pas de condensation dans le condenseur à liquide, de préférence avec un ventilateur en marche.

4. Procédé selon la revendication 3, d'après lequel l'étape du démarrage s'effectue avec le ventilateur du condenseur à air en marche et la pompe du circuit de liquide à l'arrêt, et d'après lequel l'étape de la mise en service supplémentaire du condenseur à liquide s'effectue par la mise en marche de la pompe ou l'augmentation du débit massique refoulé par celle-ci.

Zeichnung